Как и в случае с лесами на суше, наиболее важным источником энергии для тропических мелководных коралловых рифов является свет. Фотосинтезирующие водоросли, называемые зооксантеллами, живут в тканях рифообразующих кораллов и обеспечивают их кислородом и продуктами фотосинтеза, включая глюкозу и аминокислоты. Кораллы, в свою очередь, используют эти продукты в качестве источника энергии для построения скелетов из карбоната кальция и роста живой ткани. Другие экологически важные рифовые организмы, такие как макроводоросли и торфяные водоросли, также зависят от света для роста и размножения, что делает свет движущей силой роста и общей продуктивности экосистем коралловых рифов.
По этой причине ученые, изучающие коралловые рифы, заинтересованы в определении взаимосвязи между первичной продуктивностью и меняющимися условиями освещения. В статье, опубликованной в прошлом месяце двумя экологами рифов BIOS в научном журнале PLoS ONE, исследователь с докторской степенью Ивонн Савалл и ее советник, научный сотрудник Эрик Хохберг, представляют доказательства того, что рифы оптимизируют свои фотосинтетические способности в соответствии с преобладающими условиями окружающей среды, такими как общая доступность света., питательные вещества, углекислый газ и температура.
«Первичная продукция, или количество происходящего фотосинтеза, в конечном итоге определяет биомассу и рост рифа», - сказал Савалл. «Это означает, что точные измерения продуктивности имеют решающее значение для понимания функции рифов».
В прошлом измерения фотосинтеза обычно проводились в течение короткого промежутка времени от нескольких минут до нескольких часов. Результаты этих измерений, называемые мгновенными кривыми Р-Е, представляют собой график взаимосвязи между первичной продуктивностью и количеством света, поступающего в систему (также называемым освещенностью). За короткие промежутки времени эти графики показывают классическую зависимость, при которой продуктивность увеличивается линейно до точки (называемой точкой насыщения), а затем выравнивается, а это означает, что кораллы могут увеличивать свой фотосинтез только до определенного уровня освещенности, после чего дальнейшего увеличения не наблюдается..
Однако Саволл и Хохберг считают, что для точного измерения продуктивности рифов необходимы долгосрочные измерения.
«Традиционные кривые P-E игнорируют тот факт, что состояние неба и доступность света меняются в течение одного дня, а также в зависимости от сезона и в разных местах по всему миру», - сказал Хохберг. «В конечном счете, эти ограничения влияют на то, как мы характеризуем долгосрочную способность рифа к первичной продуктивности».
Хохберг отметил, что наземные ученые давно поняли, что растения могут регулировать уровень своего фотосинтетического пигмента, чтобы наилучшим образом использовать долговременное преобладающее световое поле. На практике это означает, что хотя уровни освещенности могут значительно меняться в короткие промежутки времени и на небольших участках, растения приспособились таким образом, что в среднем они не поглощают больше света, чем могут использовать. Учитывая, что рифы состоят из фотосинтезирующих организмов, казалось вероятным, что аналогичная взаимосвязь будет иметь место.
Для целей своего исследования Савалл и Хохберг сначала получили 52 мгновенные кривые P-E, представляющие широкий спектр бентических организмов (кораллы и водоросли) и сообщества (преобладают кораллы, преобладают торфяные водоросли и песок с микроводорослями), а также а также условия окружающей среды. Затем, чтобы рассчитать суточную (долгосрочную) освещенность, представляющую различную интенсивность облаков и продолжительность дня, они собрали более 900 кривых доступности света, собранных за трехлетний период инструментами Национальной метеорологической службы в международном аэропорту им. Л. Ф. Уэйда на Бермудских островах.
Используя компьютерные модели, команда объединила мгновенные кривые P-E с дневными кривыми освещенности, в результате чего были получены интегрированные по времени кривые P-E, которые показывают взаимосвязь между фотосинтезом и доступностью света в течение всего дня. Все без исключения смоделированные интегральные по времени кривые показали, что фотосинтез в бентических сообществах коралловых рифов не достигает точки насыщения. То есть фотосинтез может насыщаться на мгновение, а общий суточный фотосинтез - нет.
«Эти результаты показывают, что рифовые организмы, включая как кораллы, так и водоросли, скорее всего, оптимизируют фотосинтез в той же степени, что и наземные растения, в масштабе дня или дольше», - сказал Савалл.
С точки зрения рифового ученого, пытающегося понять, как функционируют рифовые экосистемы, эти результаты указывают на то, что фотосинтез является «экологическим интегратором», что означает, что скорость фотосинтеза реагирует на все стрессы, с которыми сталкивается организм, включая температуру, свет доступность, уровень углекислого газа и доступность питательных веществ.
В последующих исследованиях Хохберг и Савалл изучают взаимосвязь между цветом организма и его общим ежедневным фотосинтезом. Эти два параметра определяются уровнем пигмента в организме, и наземные исследования показали, что фотосинтез можно предсказать путем измерения цвета, выраженного пигментами. Это означает, что система дистанционного зондирования, такая как проект Hochberg's COral Reef Airborne Laboratory (CORAL), может напрямую оценивать первичную продукцию экосистемы без необходимости трудоемких измерений водно-химического режима на месте. Первичная продукция - это один из показателей, который ученые используют для измерения здоровья рифов и функционирования экосистемы. Точные оценки первичной продукции особенно важны для определения того, как глобальное изменение климата влияет на рифы по всему миру.